XXXII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO
Desenvolvimento Sustentável e Responsabilidade Social: As Contribuições da Engenharia de Produção
Bento Gonçalves, RS, Brasil, 15 a 18 de outubro de 2012.
UMA PROPOSTA DE FRAMEWORK
CONCEITUAL PARA O
DESENVOLVIMENTO INTEGRADO DE
PRODUTOS SUSTENTÁVEIS
Matheus Beltrame Canciglieri (PUCPR)
[email protected]
Pedro Dossi Lima de Castro (PUCPR)
[email protected]
Maria Lucia Miyake Okumura (PUCPR)
[email protected]
Osiris Canciglieri Junior (PUCPR)
[email protected]
Resumo: O relacionamento entre as pessoas, os produtos e o meio
ambiente foi ao longo do tempo mudando e se transformou em
demandas por produtos produzidos de forma sustentável, por produção
de energia de forma limpa e eficiente, bem como ppor destinação
adequada para o lixo produzido. Assim, é necessário a busca por
alternativas de manufatura de produtos, de energias limpas bem como
para o descarte de materiais recicláveis de forma que se reduza o
impacto ambiental. Este artigo apresenta uma proposta de um
framework conceitual baseado nos conceitos de Processo de
Desenvolvimento Integrado de Produto (PDIP) e Sustentabilidade,
aplicando as ferramentas de eco-design, Design for Manufacturing
(DFM) e banco de dados em um ambiente de Engenharia Simultânea
com o objetivo de desenvolver um produto ambientalmente correto,
economicamente viável e socialmente aceito. A implementação e
validação deste modelo será através da aplicação do framework no
desenvolvimento de um Sistema de Aquecimento Solar de Água (SASA)
constituído de materiais recicláveis provenientes do descarte
doméstico, visando à melhoria da eficiência e dos processos
envolvidos, porém esta fase da pesquisa não será abordada neste
trabalho. Abstract: The relationship among people, products and the
environment has changed and transformed in demands for more
sustainable products, for clean, green renewable energy as well as the
adequate destination for the produced waste. Therefore, it is necessary
to search alternatives for product manufacturing, clean and renewable
energies as well as for the recyclable materials disposals in a way that
the environmental impact can be reduced. This article proposes a
conceptual framework based on the Integrated Product Development
Process (IPDP) and Sustainability through the appliance of the tools of
eco-design, Design for Manufacturing (DFM) and Data Base in a CE
environment aiming the development of a product environmentallyfriendly, economically viable and socially accepted. The
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implementation and validation will be through the application of the
framework in the development of a solar water heating system (SWHS)
made of recyclable materials from households with the objective of
increase the efficiency and the involved processes, however these
phases will not be studied in this work. .
Palavras-chaves: Sustentabilidade, Tecnologia de Grupo,
Desenvolvimento de Produto, DFM.
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1. Introdução
A visão e postura em relação aos produtos manufaturados foram, ao longo do tempo, se
transformando em um posicionamento por produtos produzidos de forma mais sustentável,
porém sem que houvesse a perda da qualidade. Para acompanhar essas mudanças, as empresas
buscaram alternativas para a fabricação de seus produtos de acordo com os conceitos da
sustentabilidade, ou seja, planejar e produzir de forma que anule ou reduza o impacto
ambiental mantendo a qualidade e o preço baixo para continuarem competitivas no mercado
(KIPERSTOK, 2005; CASAGRANDE JR., 2011). Neste contexto, surgiram filosofias,
conceitos e metodologias como Engenharia Simultânea, Eco design, Projeto Orientado para a
Manufatura (Design for Manufacturing - DFM), entre outros que oferecem suporte ao
desenvolvimento de um produto com melhor qualidade, menor preço e produzido de forma
sustentável.
Outras questões prioritárias deste novo milênio são a produção de energia de forma limpa e
eficiente e o destino adequado para todo lixo produzido pelo homem. A necessidade de busca
por novas fontes de energias que sejam renováveis para substituir as fontes de origem fósseis
que poluem e são em quantidades finitas. Existem inúmeras formas de energia limpa e
renovável e entre elas está a energia solar, que no Brasil tem alto potencial de aproveitamento,
uma vez que tem uma média de insolação alta durante todo o ano. A reciclagem do lixo, a
reutilização dos materiais e a redução no consumo contribuiriam exponencialmente para
melhoria na qualidade de vida (GONÇALVES-DIAS, 2006). Assim, unir os conceitos e
metodologias de manufatura aos de sustentabilidade possibilita o desenvolvimento de
produtos de produtos que integram materiais disponíveis com os resíduos descartados pelo
homem. Dessa forma, este artigo apresenta uma proposta de um framework conceitual
baseado nos conceitos de Processo de Desenvolvimento Integrado de Produto (PDIP) e
Sustentabilidade, aplicando as ferramentas de eco-design e Design for Manufacturing (DFM)
e banco de dados em um ambiente de Engenharia Simultânea com o objetivo de desenvolver
um produto ambientalmente correto, economicamente viável e socialmente aceito. A
implementação e validação deste modelo será através da aplicação do framework no
desenvolvimento de um Sistema de Aquecimento Solar de Água (SASA) constituído de
materiais recicláveis provenientes do descarte, visando à melhoria da eficiência e dos
processos envolvidos, porém esta fase da pesquisa não será abordada neste trabalho.
2. Metodologia da Pesquisa
Esta pesquisa é considerada de natureza aplicada com uma abordagem qualitativa, pois aplica
conceitos já constituídos na elaboração de um framework conceitual com objetivo de
melhorar a eficiência de um aquecedor solar sustentável que é construído a partir de garrafas
PET e outros tipos de materiais recicláveis, além de tornar os processos mais simples e
organizados através de uma catalogação da matéria-prima através dos conceitos da tecnologia
de grupo, além da aplicação do conceito de PDIP suporta a multidisciplinaridade e assim
fortalece o ciclo de vida do produto. A pesquisa bibliográfica explorou conceitos essenciais
para a otimização dos processos de desenvolvimento e de fabricação do produto abordando os
conceitos Engenharia Simultânea, Sustentabilidade, Tecnologia de Grupo (TG), Processo de
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Desenvolvimento Integrado de Produto (PDIP), Features de Fabricação e metodologias DFM,
eco-design e banco de dados.
Justifica-se a proposta do framework conceitual para a construção de produto sustentável, o
SASA composto de materiais recicláveis, que utiliza a energia limpa e acessível a
comunidades carentes. A aplicação do framework trará uma melhora na eficiência do
aquecimento de água realizado pelo sistema que resultará na diminuição da utilização da
energia elétrica e na melhoria da qualidade de vida da população, especialmente as
comunidades carentes. Outro fator relevante é a ampla visão dos processos envolvidos na
criação do produto favorecendo as soluções bem como o acompanhamento do ciclo de vida
do produto possibilitando a definição das etapas futuras do projeto.
3. Revisão Bibliográfica
3.1 Sustentabilidade
Sobreviver não é mais uma questão de quanto somos, mas o quanto cada pessoa ocupa de
espaço no planeta, o quanto é necessário produzir para atender o consumo individual, qual a
quantidade de energia que cada ser humano consome, ou ainda, a quantidade de lixo gerada
em determinado tempo por um habitante na Terra. Essa é a chamada pegada ecológica
(KIPERSTOK, 2005). É preciso usar com consciência os recursos naturais para que a
escassez, proveniente da falta de planejamento sustentável, não afete gerações futuras.
Desenvolver e produzir não significa degradar e poluir, harmonizar as duas vertentes torna o
socioeconômico aliado do meio ambiente (CANCIGLIERI JR. et al., 2011; SILVA; SOUZA,
2012). Para isso o Desenvolvimento Sustentável foi fundamentado no desejo de preservar o
meio ambiente sem sacrificar o ganho ou qualquer funcionalidade do produto. Todos esses
conceitos têm evoluído para uma nova perspectiva de sustentabilidade, que engloba três
aspectos chave: o econômico, o social e o ambiental (BRUNDTLAND, 1991). Mesmo assim
com tantos atos pró meio ambiente, ainda há muito a se fazer para equalizar o
desenvolvimento e a sustentabilidade. (DIAS, 2006; PEREIRA, 2009 apud CANCIGLIERI
JR., 2011).
Goldemberg (2007) apontou para a necessidade de diversificar as formas de se obter energia
como parte de uma estratégia de longo prazo para salvar o suprimento existente. Para esse fim
as fontes renováveis tornam-se o melhor substituto das fontes de origem fóssil, pois esta
última polui em maior escala e apresenta-se em uma quantidade finita no planeta. A grande
vantagem brasileira está em sua alta porcentagem de energias renováveis, com 44,4% do total
produzido em 2006, enquanto no mundo todo, a matriz energética renovável estava na ordem
de 13,2% do total produzido em 2006 (PRESS; 2007). Existem alternativas de energia limpa,
como:
i) a eólica, proveniente do vento;
ii) a geotérmica, que se utiliza do calor da terra para gerar eletricidade;
iii) a biomassa, que produz energia elétrica por meio de resíduos orgânicos;
iv) a solar, que aquece a água para o uso pessoal, substituindo a utilização da eletricidade, ou
através de painéis fotovoltaicos, transformando energia solar em energia elétrica.
Todas possuem sua relevância e mescladas funcionam como alternativa complementar para as
fontes de origens fósseis utilizadas atualmente. Por isso adotar soluções que resultem em
módulos reutilizáveis, remanufaturáveis, recondicionáveis ou facilmente recicláveis é uma das
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formas de se conseguir um produto ligado à produção de energia limpa, renovável e que visa,
ao mesmo tempo, a sustentabilidade (BACK et al., 2008). A determinação herdada de épocas
passadas, as possibilidades de geração de energia limpa e a vontade de desenvolver um
produto que visa integrar os materiais existentes e os resíduos descartados pelo homem cria o
preâmbulo para a união dos conceitos de eco-design e eco-eficiência, abordagens pró-ativas
da gestão ambiental e atuantes no desenvolvimento de produtos que objetivam reduzir seus
impactos ambientais durante seu ciclo de vida (PIGOSSO; ROZENFELD, 2011). Tudo isso
somado as virtudes da engenharia simultânea que permite executar em paralelo as várias
etapas do projeto, proporcionando uma maior comunicação entre elas e diminuindo o tempo
compreendido entre o início de uma e o término de outra (OKUMURA et al., 2011).
Enquadrado em todos os pré-requisitos sustentáveis, o SASA deverá ser um produto
economicamente viável, socialmente aceito e favorável a medidas End-of-Pipe (“Fim de
Tubo”), ação que prioriza reutilizar elementos descartados pelo homem, como por exemplo,
garrafas de Politeraftalato de Etileno (PET), latas de alumínio, garrafas de vidro, invólucros
de Polietileno de Alta Densidade (PEAD) e embalagens Tetra Pak®. O benefício de aquecer
água com um baixo custo financeiro seria intrínseco ao fato de reaproveitar uma parcela do
lixo produzido. Um exemplo da importância do SASA é dado quando um alarmante número
de 6 bilhões de embalagens de garrafa PET é descartada pela sociedade (GONÇALVESDIAS, 2006), cada uma levando em média 500 anos para se degradar totalmente. A
aplicabilidade dos SASAs deve ser compatível para comunidades que não possuem renda para
a aquisição de aquecedores ou a para a custeio da energia elétrica na utilização doméstica. Os
SASAs aquecem a água utilizando a energia solar substituindo o uso da energia elétrica
convencional, tendo ainda baixo custo, apresenta a estética simples e fornece água aquecida
sem agredir o meio ambiente.
3.2 Tecnologia de Grupo
A Tecnologia de Grupo (TG) é uma ferramenta que auxilia as atividades de projeto orientado
para a fabricação e no projeto do layout do chão de fabrica, além de ser uma filosofia de
princípio organizacional que define a solução de problemas através de semelhanças
geométricas ou de fabricação, tentando conseguir vantagens econômicas e operacionais
através da exploração dessas semelhanças (SILVA e GANGA, 2006 apud DALMAS, 2004).
Canciglieri (1994) afirmou que a TG tem conceito simples que consiste em agrupar
componentes que tem semelhança geométricas ou de procesos de fabricação para se obter as
vantagens dessas similaridades. Para a aplicação dos conceitos da TG integrada com auxilio
computacional é essencial a formação dos conceitos de famílias de peças. Essa integração
resulta num alto nível de automação envolvendo a manufatura, utilizando ferramentas
computacionais como softwares CAM (Computer aided Manufacturing), CAPP (Computer
Aided Process Planing) e projeto assistido por computador (CAD - Computer aided Design).
Dessa forma, a TG padroniza as informações de projeto e processo aumentando a
produtividade e reduzindo o tempo e o custo da fabricação do produto. Normalmente a TG é
constituida por um código no qual cada digitos ou agrupamento possui um significado, ou
seja, um código de TG é uma seqüência de números onde a posição de cada algarismo
representa uma informação do produto (HERMANN; SINGH, 1997 apud. SNEAD, 1989).
Canciglieri (1994) definiu que “no agrupamento das peças em famílias, que é a base da TG, o
número de peças e a frequência de fabricação deverão ser levados em consideração, pois
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quanto maior a similaridade de requisitos e frequência de lotes, melhor será a formação de
famílias, auxiliando assim a formação de células de manufatura ou grupos de máquinas, a
programação para o sequenciamento e carregamento de máquinas”. Existem três modos de
separar os componentes em famílias: método visual, análise do fluxo de produção e sistema
de classificação e codificação. Esta pesquisa irá abordar somente o Sistema de Classificação e
Codificação que consiste basicamente em reunir as peças através de um sistema numérico,
composto por digitos cuja função é de definir as caracteristicas geométricas e de processo de
fabricação. Esse sistema possibilita o agrupamento das peças por similares no código,
formando assim as famílias de peças (CANCIGLIERI, 1994).
Para ajudar na compilação das peças dentro do sistema de classificação e codificação foi
criado um método de planejamento do processo de desenvolvimento do produto (PDP)
denominado DFM. DFM é uma prática de desenvolvimento de produto que tem enfâse em
questões da manufatura durante o projeto inteiro, ou seja, desde o design até a manufatura
propriamente dita. Este método assegura o design do produto para satisfazer o cliente
enquanto considera a manufatura do produto, como por exemplo, maquinário, empregados,
recursos disponíveis, entre outros (SANDEMBERG, 2007). Um DFM bem desenvolvido
resulta em um custo de produção menor sem compromenter a qualidade do produto
(EPPINGER; ULRICH, 2000). Os métodos DFM são utilizados, atualmente, na hora da
modelagem da peça em sistemas CAD, desenvolvidos para substituir o desenho manual, que
com o passar do tempo, também tornaram-se defasados devido a criação de sistemas
tridimensionais com modelagem baseada em features, com isso, a forma de conceber um
projeto tornou-se muito mais versátil e rápida (FOGGIATO et al., 2007).
Alvares et al. (1995), Shah (1995), Mantyla (1995) apud Alvares (2005) afirmam que features
são formas geométricas definidas por um conjunto de parâmetros que tem significado para o
projeto e para a manufatura, ou seja, é uma maneira de representar de forma reduzida e bem
definida todas as informações de cada parte do produto, sendo considerado um meio de
integração entre o projeto e a manufatura. A utilização de features para a modelagem
geométrica de um produto é ideal por facilitar o trabalho de planejamento da manufatura e da
criação dos códigos de comando númerico (CN) desde que haja uma perfeita integração do
projeto através de um sistema computacional de manufatura (ambiente CIM- Computer
Integrated Manufacturing). Porém isto limita a geração do modelo geométrico e
consequentemente a modelagem por features em superfícies complexas não é muito utilizada
e aceita (COSTA; PEREIRA, 2003).
Para o armazenamento dos códigos de TG e das features de fabricação é necessário um
sistema de banco de dados. “Um sistema de banco de dados é basicamente apenas um sistema
computadorizado de manutenção de registros. O banco de dados, por si só, pode ser
considerado como equivalente eletrônico de um armário de arquivamento; ou seja, ele é um
repositório ou recipiente para uma coleção de arquivos de dados computadorizados” (DATE,
2004).
3.3 Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos
O processo de desenvolvimento de produto tem se destacado dentro das empresas, se
tornando um dos principais fatores de competitividade no mundo industrial. Com isso a
necessidade de integrar as fases deste processo torna-se de vital importância e assim métodos
foram criados para auxiliar nessa integração sendo que um dos mais utilizados é o processo
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de desenvolvimento integrado de produto. O PDIP consiste em integrar as fases do projeto
através do trabalho de equipes multifuncionais formadas por integrantes de diversas áreas do
conhecimento e tem como intuito o aumento da qualidade, a redução do ciclo de
desenvolvimento do produto, diminuição dos custos, além de desenvolver um produto focado
nas exigencias do cliente (MIRALLES; LUCENA, 2007). Esse método, se aplicado
corretamente propicia a diminuição de retrabalhos e de trabalhos corretivos nos estágios mais
avançados do processo de desenvolvimento aumentando o nível do desenvolvimento do
produto e reduzindo o custo. Em conjunto com outros métodos como o projeto orientado para
a manufatura e montagem (Design for Manufacturing and Assembly – DFMA),
desdobramento da função qualidade (Quality Function Deployment – QFD) torna-se mais
eficiente e reduz mais o custo de desenvolvimento do prouto, assegurando uma qualidade
padrão do produto (MIRALLES; LUCENA, 2007).
A integração das fases do desenvolvimento de produto nas indústrias é realizada
principalmente pelo uso da engenharia simultânea. A engenharia simultânea ou concorrente, é
definida por Sprague et al. (1991) como uma abordagem sistemática para o projeto
simultâneo e integrado de produtos e de processos relacionados com a manufatura, e procura
considerar todos os elementos do ciclo de vida do produto desde sua concepção até sua
introdução no mercado. Essa abordagem tornou-se mais abrangente com a utilização de
recursos computacionais (CAD/CAE/CIM entre outras) e a utilização de metodologias QFD e
outras (ROZENFELD, 1996 apud. DAPRA).
4. Proposta de Framework Conceitual
A proposta de framework conceitual, mostrado na Figura 1, reúne e sistematiza os conceitos e
métodos explorados na revisão da literatura em um ambiente de engenharia simultânea que
permite aplicar em um mesmo produto as teorias de eco-design, DFM, TG e sustentabilidade.
Ele foi projetado para dar suporte ao desenvolvimento de produtos que utilizam materiais
recicláveis e descartados, aplicando a ferramenta de desenvolvimento integrado de produtos
que proporciona uma estrutura sólida e cabível de aperfeiçoamento (BACK et al., 2008). O
framework une a organização da TG à preocupação inerente a sustentabilidade, para
classificar e categorizar os materiais recicláveis na geração de um produto sustentável.
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Figura 1 – Framework Conceitual
Fonte: Autores
Para entender os processos que envolvem os conceitos presentes no framework fez-se uma
seqüência de passos lógicos para gerar o produto sustentável, assim foram identificadas cinco
fases principais, como mostrado na Figura 1. A primeira etapa, representada no detalhe 1,
configura a coleta de materiais recicláveis procedente do descarte doméstico. Neste sentido
observa-se que existe uma variedade consideravelmente grande de tipos de materiais, tanto no
quesito composição como no formato geométrico e na aparência de cada unidade. O detalhe 2
da figura 1 ilustra a etapa classificatória dos materiais selecionados na etapa anterior através
da TG. A classificação engloba as características geométricas dos componentes coletados por
meio das similaridades geométricas levando em consideração a composição dos materiais,
suas dimensões, suas cores e transparências, entre outros. Estas informações são fundamentais
para a formação de famílias de peças, por meio do agrupamento baseados nas formas
geométricas e nos processos de fabricação necessários para a confecção do produto.
A organização proveniente da TG está associada ao sucesso da fase seguinte, ilustrada no
detalhe 3, que pode ser executada em paralelo com a etapa anterior. Essa fase orienta a
confecção de cada peça integrando a manufatura à sustentabilidade por meio das ferramentas
DFM e eco-design. A maturidade do projeto, oriunda da execução das etapas 2 e 3, refina as
características do produto final, delineando detalhes referentes à produção.
Na fase 4 é definido qual é o produto propriamente dito, qual sua funcionalidade, usabilidade,
tipos de processo de fabricação, benefício ambiental, seu valor de mercado, entre outros. A
noção do ciclo de vida é fundamental para um produto sustentável, afinal quando suas funções
não estiverem sendo cumpridas, o reaproveitamento das peças certas deve ser sabido por
aqueles que reciclarão o conjunto. Finalmente, o detalhe 5 da figura 1 descreve o feedback do
ciclo após os testes de funcionalidade dos módulos, possibilitando o acréscimo de
informações devido as implementações anteriores, comparando as decisões assertivas. Dessa
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forma procura-se evitar o impacto de certos materiais no meio ambiente, retirar do lixo
descartado da sociedade e destiná-los a um produto economicamente viável e ecologicamente
sustentável.
Finalmente, o detalhe 5 demonstra que através desses processos é possível buscar sempre
mais e novas informações agregando novos materiais e novas metodologias para o
desenvolvimento e a produção de um produto cada vez mais economicamente viável e
ecologicamente sustentável., de custo baixo e com alta eficiência e qualidade.
5. Discussão dos resultados esperados
Baseado no framework conceitual proposto espera-se integrar conceitos de manufatura e
sustentabilidade, simplificando e organizando os processos com o objetivo de desenvolver um
produto que agrega materiais disponíveis no mercado com os provenientes do descarte
doméstico e recicláveis que seriam prejudiciais caso fossem deixados nos aterros sanitários.
O ambiente de Engenharia Simultânea proporciona a oportunidade de integrar esses conceitos
e a metodologia PDIP possibilita o desenvolvimento de um SASA composto de materiais
descartados e recicláveis visando à melhoria da eficiência e dos processos envolvidos. O
SASA será utilizado para a implementação e validação do modelo proposto e a melhoria da
eficiência trará benefícios imediatos ao meio ambiente, uma vez que será empregada energia
limpa para o aquecimento de água, reduzindo o consumo de energia elétrica produzida por
meios convencionais. Além disso, o fato de reaproveitar uma parcela do lixo produzido reduz
o impacto ambiental, pois retira do meio ambiente materiais que têm longa durabilidade.
Através da filosofia organizacional da tecnologia de grupo é possível a separação e
classificação da matéria prima fazendo com que a manufatura seja mais rápida, uniforme e
que garanta um padrão de qualidade do produto. Com essa padronização é possível realizar
um projeto orientado para a manufatura e sustentabilidade, isto é, é possível projetar o
produto pensando na maneira mais simples e eficiente de manufatura-lo tendo em vista os
conceitos da sustentabilidade.
Dessa forma a melhoria na qualidade de vida das pessoas, especialmente comunidades
carentes; a possível utilização dos materiais recicláveis descartados e a produção de um
produto economicamente viável e ecologicamente sustentável., de custo baixo e com alta
eficiência e qualidade caracterizam o propósito do framework, que poderá gerar o melhor
produto para cada comunidade. Como resultado, estes produtos poderão contribuir para o uso
consciente dos recursos naturais e do meio ambiente, promovendo os conceitos de
desenvolvimento econômico e social de maneira sustentável.
A melhoria na eficiência do aquecimento da água realizada pelo SASA que será utilizado para
a validação do framework, além dos beneficios ao meio ambiente com a retirada de materiais
descartados que seriam prejudiciais caso fossem deixados nos aterros sanitários. Através da
integração dos conceitos de sustentabilidade, tecnologia de grupo e processo de
desenvolvimento integrado de produto será possível a concepção de um produto que ajude na
proteção e preservação do meio ambiente e que seja ao mesmo tempo aceito pela sociedade,
sem deixar de considerar seus impactos economicos e métodos de produção necessárias para a
sua fabricação.
Através da filosofia organizacional da tecnologia de grupo é possível a separação da matéria
prima fazendo com que a manufatura do produto seja mais uniforme e rápida, garantindo
assim o padrão de qualidade do produto. Com essa padronização é possivel realizar um
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projeto orientado para a manufatura e sustentabilidade, isto é, projeta-se o produto pensando
na maneira mais simples e eficiente para se manufaturar-lo tendo em vista os conceitos da
sustentabilidade.
Dessa forma é esperado a melhoria na qualidade de vida das pessoas, a possível utilização dos
materiais recicláveis descartados pela população e a produção de um produto sustentável
caracterizam o propósito do framework, que pode gerar o melhor produto para cada
comunidade. Como resultado, estes produtos contribuem para o uso consciente de todo
material descartável gerado nas residências; os grandes aterros sanitários desafogariam sua
capacidade, revertendo esses materiais para um fim de maior rentabilidade gerando uma renda
extra para as famílias que estivessem envolvidas com o recondicionamento desse material.
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